CN108947257A - 一种堇青石基微晶玻璃材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子陶瓷材料领域，提供一种堇青石基微晶玻璃材料及其制备方法，用以克服现有陶瓷材料因热膨胀系数大、抗弯强度太小、介电常数高、介质损耗高等导致与硅芯片匹配度差的问题，本发明属于镁铝硅体系，主晶相为堇青石，致密度高，抗弯强度高达230MPa，杨氏模量高80～100GPa，热稳定性好，热膨胀系数低1.5～2.5×10^‑6/℃(20～600℃)，与硅芯片形成良好的匹配；同时，其介电常数可调4.5～5.0，介质损耗低tanδ<0.6×10^‑3，提高信号传输速度，大大降低了功耗；另外，其制备工艺中，将传统的烧结工艺1100℃以上降低到900℃以下，在提高性能的前提下，烧结温度进一步降低，节约生产成本；并且整个制备工艺流程简单，原料来源丰富减小能耗，对工业化生产具有重要意义。

Description

一种堇青石基微晶玻璃材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子陶瓷材料领域，涉及一种堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料及其制备方法；该材料适用于电子封装，尤其是超大规模集成电路的封装。

背景技术

信息技术的迅猛发展，推动着集成电路系统不断朝着高密度化、超大规模化和多功能化方向发展，半导体芯片性能的飞速提高也使得电子封装技术向更先进的高密度、三维封装形势发展，这对电子封装基板材料提出了更高要求，尤其是需要具有足够高的抗弯强度和优良的介电性能，且在热膨胀系数方面需要基板与芯片相匹配。电子陶瓷材料由于其在机械、电、热特性等方面性能稳定，已广泛应用于各种封装形式中。

低温共烧陶瓷(LTCC)是一种迅速发展的电子陶瓷材料，是将具有低温共烧能力的陶瓷作为基板，在其上组装各种部件及低电阻率导线，在1000℃以下制得微电子产品的技术，在超大规模集成电路的封装领域应用广泛。但是，目前商用LTCC材料普遍抗弯强度较低，热膨胀系数偏高，例如Ferro公司的A6系列7.0×10^-6/℃，DuPont公司的951系列5.8×10^-6/℃，不能与硅芯片实现良好的热匹配，介电性能也亟待改进，严重影响封装芯片的可靠性。因此，必须开发一种具有高强度(≥160MPa)、低热膨胀系数(1.0～3.0×10^-6/℃)，且低介电、低损耗的低温共烧陶瓷材料，确保实现与硅芯片的热匹配，降低信号延迟及能量损耗，满足电子封装尤其是超大规模集成电路封装基板的需要。MgO-Al₂O₃-SiO₂系微晶玻璃作为一种优良的 LTCC材料已被广泛关注，该材料主要是由MgO、Al₂O₃、SiO₂等氧化物组成，主晶相为堇青石相，其机械强度高，介电性能优良，具有良好的热稳定性和抗热冲击性，但目前研制出的镁铝硅系微晶玻热膨胀系数不能与硅芯片实现良好的热匹配，介质损耗高，且需要在很高的烧结温度下才能达到足够高的抗弯强度。

例如，在《材料导报》2011,10,25(10)“MgO-Al₂O_3-SiO₂系堇青石微晶玻璃的制备及性能研究”中，基础玻璃组分按质量百分比：MgO为24wt％、Al₂O₃为22wt％、SiO₂为54wt％，以2wt％ZrO₂+3wt％TiO₂为晶核剂，2wt％B₂O₃为助溶剂，混合料于1580℃保温4h，水淬干燥并研磨得到玻璃粉，造粒成型并分别在850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃晶化温度下分别保温4h，得出在1100℃晶化温度下的微晶玻璃具有最好性能，其抗弯强度为182MPa，而该发明其他性能未作详细说明，不足之处是烧结温度过高。

发明专利(申请号201610962973.2)公开了“一种砂质高岭土基堇青石微晶玻璃材料及其低温制备方法”，该微晶玻璃原料主要化学成分按质量百分比记：砂质高岭土25～50wt％，铝氧化物20～26wt％，硅氧化物7～28wt％，镁氧化物10～15wt％，助剂5～7wt％。将各种原料充分混合后1550℃熔融水淬，湿磨干燥制得玻璃粉，湿式球磨6～8h，烘干过筛，将所得粉体压制成型制得坯体，850～925℃下晶化处理6～10h，制得堇青石微晶玻璃材料，其抗弯强度低 (低于150MPa)，介电常数5.5～6.5，介质损耗高(5～15×10^-3)。

基于此，本发明提供一种低温烧结875～925℃，高抗弯强度160～230MPa，低热膨胀系数 1.5～2.5×10^-6/℃，低介电常数5～6@1MHz,低介质损耗0.5～0.6×10^-3@1MHz的微晶玻璃及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中已有陶瓷材料因热膨胀系数大、抗弯强度太小、介电常数高、介质损耗高等导致与硅芯片匹配度差的问题，提供一种堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料及其制备方法，以该材料制作的电子封装基板，既能实现与硅芯片的良好热匹配，又具有高抗弯强度，且介电性能好、生产工艺简单、稳定性高、成本低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料，其特征在于，所述堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料，主晶相为堇青石相，按照质量百分比，组成如下：MgO为10～20wt％、Al₂O₃为25～35wt％、 SiO₂为40～50wt％、ZrO₂为5～10wt％、B₂O₃为1～5wt％。

上述堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料的其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、以MgO、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、B₂O₃为原料，按照组分配方进行计算、称重，并混合球磨2～4小时，混合均匀后干燥，得到混合料；

步骤2、将混合料置于坩埚中，在1400～1450℃大气气氛中高温熔融1小时；

步骤3、将熔融体倒入去离子水中水淬得到透明玻璃渣，然后以锆球为介质经过湿式球磨1～2小时后，干燥得到玻璃粉；

步骤4、以锆球为介质将上述玻璃粉湿式球磨5～6小时，烘干、过筛后得到均匀分散的粉体；

步骤5、将粉体进行造粒、压制成型后，在875～925℃烧结并保温1～2小时，得到高强度低热膨胀系数微晶玻璃。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料，属于镁铝硅体系，主晶相为堇青石，致密度高，抗弯强度高达230MPa，杨氏模量高80～100GPa，热稳定性好，热膨胀系数低1.5 ～2.5×10^-6/℃(20～600℃)，与硅芯片形成良好的匹配；同时，其介电常数可调4.5～5.0，介质损耗低tanδ<0.6×10^-3，提高信号传输速度，大大降低了功耗；另外，其制备工艺中，将传统的烧结工艺1100℃以上降低到900℃以下，在提高性能的前提下，烧结温度进一步降低，节约生产成本；并且整个制备工艺流程简单，原料来源丰富减小能耗，对工业化生产具有重要意义。

附图说明

图1为实施例3的堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料的XRD衍射图谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供5个实施例，分别编号为NO.1～5，其中每个实施例中堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料的组分及烧结条件分别如下表所示：

具体制备过程如下：

按照设计配方表1中各氧化物质量百分比准确计算出对应原料实际用量，混合球磨2小时，混合均匀并干燥后，将混合料置于坩埚中，在1400～1450℃大气气氛中高温熔融1小时，水淬后得到玻璃渣，将玻璃渣湿式球磨5～6小时后干燥过筛，得到均匀分散的粉体，将该粉体以丙烯酸作为粘结剂造粒、压制成型后，完成烧结，即得到一种堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料，其介电性能、热性能及机械性能分别如下表所示：

其中，实施例3的堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料的XRD衍射图谱如图1所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种堇青石基微晶玻璃材料，其特征在于，所述堇青石基微晶玻璃材料，主晶相为堇青石相，按照质量百分比，组成如下：MgO为10～20wt％、Al₂O₃为25～35wt％、SiO₂为40～50wt％、ZrO₂为5～10wt％、B₂O₃为1～5wt％。

2.按权利要求1所述堇青石基微晶玻璃材料的其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、以MgO、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、B₂O₃为原料，按照组分配方进行计算、称重，并混合球磨2～4小时，混合均匀后干燥，得到混合料；

步骤2、将混合料置于坩埚中，在1400～1450℃大气气氛中高温熔融1～2小时；

步骤3、将熔融体倒入去离子水中水淬得到透明玻璃渣，然后以锆球为介质经过湿式球磨1～2小时后，干燥得到玻璃粉；

步骤4、以锆球为介质将上述玻璃粉湿式球磨6～7小时，烘干、过筛后得到均匀分散的粉体；

步骤5、将粉体进行造粒、压制成型后，在875～925℃烧结并保温1～2小时，得到高强度低热膨胀系数微晶玻璃。